CN112139492A - 一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，该装置包括等离子弧产生机构、旁轴气粉传送机构、送丝机构和振动机构。旁轴气粉传送机构包括旁轴气粉罩，气粉罩内部加工有螺旋气粉槽，并且装有环形漏斗筛选器，下端装有可调孔径开关阀。本装置的枪体内采用设定振动和气流复合方式，实现多种预定合金粉末的定量开启、减速螺旋混合粉末、过筛均匀混合、均匀粉末送出枪体；通过振动和气流复合送粉及其等离子流力复合驱动，预定合金均匀混合粉末在枪体下方与设定送丝速率的常规丝材通过旁轴再复合送入熔池，在熔池搅拌力作用下增材制造成多元合金材料。本装置可根据不同需求在金属基不同区域增材出成分可调的复合材料构件。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，特别是一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置。
背景技术
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，其是以3D(3Dimensions)设计模型为蓝本，通过控制高能量束按需求将材料定点进行逐层堆积形成实体零件。与铸造技术和机械加工方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化，适用于新型产品快速研制以及批量生产。
中国发明专利“一种适用于激光熔覆的送粉装置”授权号CN 105483693B公开了一种送粉装置，通过盛粉粉斗设置在送粉装置最上端，在盛粉粉斗与送粉装置本体连接处设有调节装置；驱动装置由伺服电机与行星减速机组成，在减速机输出轴末端连接有送粉轮，送粉轮的外圆表面靠近盛粉粉斗出口，通过电机转动减速机降速带动送粉轮旋转，实现粉末供应。通过简单高效的机械送粉结构，可实现送粉轮转速均匀、可调、稳定控制粉末流速。但在其送粉轮、减速机降速带工作过程中，由于粉末极为细小，粉末易在机械传送带、轮等上粘结，导致送粉过程不稳定，且会造成造成粉末浪费；长期粘结易于导致堵粉、掉粉末块，甚至装置堵塞；只能在机械传送带轮上传送一种粉末或混合好的一种粉末；微量粉末的传送数量控制很差，从而无法达到合金成分的可调可控。
中国专利CN 201574193 U公开了一种大型工业用送粉装置筒体，所述筒体内设有圆锥反射镜及圆环形聚焦反射镜，所述圆锥反射镜底部设有定位盘，所述定位盘底部连接有上卡扣，所述上卡扣上开设有倒L型通孔，其水平段贯穿上卡扣从上卡扣一侧进入，其竖直段设置于上卡扣中间，所述上卡扣底部经卡合结构与下卡扣连接，所述下卡扣沿圆周方向向内凸出设有至少三个扣瓣，所述下卡扣下部设有送粉管，所述送粉管上端开口与所述上卡扣的通孔配合，所述下卡扣上设有调节机构。通过调节机构调整卡扣位置，解决了送粉装置制造和安装误差，实现了光粉精确耦合，粉末利用率高，提高了加工质量。但其所添加的粉末种类不可调控，送粉过程中无法将粉末混合均匀，无法有效控制送粉速率和总出粉量，利用重力落粉当其出粉口处如遇到大颗粒粉末时，则会造成供粉卡死，不能做到构件的不同区域成分可调。
中国专利CN 109158602 A公开了一种用于工程制造金属工件的同轴送粉装置，其在现有同轴送粉装置的基础上设置同步调整机构，令粉末的汇聚点和激光焦点进行同步调整，保证了在激光同轴熔覆时焦点的聚焦，在能够改变粉末浓度分布的情况下，满足激光聚焦将粉末彻底融化并重新成型的需求。但其送粉过程无法实现粉末的均匀混合，无法控制粉末送粉的速率；其元素成分添加量不可调；只能传送一种粉末或者必须提前混合好粉末再传送，不能实现调控实时的粉末传送量；由于粉末聚焦点要与激光焦点要同步调整，因此对于较为粗大的粉末其调整难度很大，粉末利用率极低；无法有效打散粉末，可能会带来卡粉现象。
中国专利CN 203625467 U公开了一种中空同轴送粉装置，包括混合喷嘴腔与气流喷嘴腔，混合喷嘴腔与气流喷嘴腔相互连通，通过在混合喷嘴腔的外围开设气流喷嘴腔，不但减少已有喷嘴另外添加的保护气套以及保护气路，精简了喷嘴的结构，有效的减小了喷嘴的体积，降低了材料成本。喷射时，粉末流与气流形成复合射流，使得喷出的粉末到达基板前汇聚性增加，提高光粉耦合性以及粉末的利用率。但在其送粉过程中，无法对粉末进行混合，这将造成区域成分的不均匀；并且仅依靠气动送粉，则在其出口处会造成粉末的堵塞问题；也无法控制送粉量。
中国发明专利“一种激光选区熔化SLM设备铺粉装置及铺粉方法”申请号CN201310667154.1，公开号CN103691947A，公开日2014.04.02中公开了一种落粉结构，该结构整体由落粉主体和位于其内的供粉辊构成，落粉主体从上到下分别为圆柱段、圆弧段和圆锥段，圆弧段设有供粉辊，供粉辊在伺服驱动电机的驱动下旋转，载粉区内的粉末通过进粉口落入供粉辊上的燕尾槽内，随着供粉辊的旋转，粉末从出粉口流出。上述结构解决了定量送粉的问题，但由于该结构落粉主体为一体式，圆弧段与圆柱段、圆锥段呈一体连接，供粉辊外圆与圆弧段上部的圆弧相切，在供粉辊转动的过程中，进粉口处如遇到大颗粒粉末时，则会造成供粉辊卡死，无法将粉末混合均匀，不能做到构件的不同区域成分可调。
中国专利CN 105618895 B公开了一种丝-粉-气-电弧同轴的3D打印装置，实现了送丝-添粉-加气保-热源四项同步同轴进行的功能，在送丝电弧增材制造的同时添加相应的合金粉末，其材料成分可设计。但送粉过程存在粉末混合不均匀的问题，导致成形构件所需成分不均，达不到理想的构件不同区域成分可调节状态。而粉末极为细小，会粘结、卡在送粉机构内部各处；内部没有能够打散粉末的装置因此可能会造成粉末粘结成块；且由于单纯靠气送粉，不能有效传送内部粉末，造成粉末浪费，装置堵塞。
中国专利CN 202968700 U公开了一种丝、粉同送熔覆复合喷嘴装置，在安装座上分别开设有送丝管路以及送粉管路，同时，在送料输出端头的作用下将丝材与粉末同时输出，实现了激光熔覆装置丝、粉同输出的目的。但同轴送粉的送粉气会对电弧产生很大的影响，进而影响焊接成型件质量。且同轴送丝会导致局部热输入过大，无法及时冷却，会对装置造成损害，也会对构件成形质量、组织性能造成影响。
《药芯焊丝电磁振动送粉装置性能的研究》一文描述了一种制造药芯焊丝的送粉装置，其通过电磁力产生受迫振动进行粉末输送。它的原理是使送粉槽内的粉末颗粒受到一定方向、振幅和频率的振动,在每一个周期内物料均被向一定方向抛射一定距离。这样在连续振动过程中,使物料不断地沿送料槽向一定方向移动，并且通过振动作用可保证粉末的均匀混合。但由于只是单纯地振动，并不能实现粉末送粉(落料)速率可控；也无法控制实际落粉量；由于其只能使用提前混合好的合金粉末，因此无法实现实时的多元合金不同区域的成分调控；因其通过抛射粉末，则可能会导致细小的粉末在空中粘结成块，从而堵塞装置，浪费粉末。
《激光表面熔覆与合金化送粉装置的设计》一文描述了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道，沿中心锥孔轴向均布四个小孔，为粉末通道。该送粉喷嘴采用同轴送粉，粉末流由送粉器送出，经由分粉器分为四路送入，经过锥形喷嘴后，粉末流汇聚输出，送入聚焦的激光光束中，形成熔池，完成熔覆成形制造。其设计保证了气柱区的直径较小，挺度较好，在激光熔覆成形过程中粉末利用率较高。但其锥形喷嘴内部只设计为光滑面，却并无设计出其他有利于送粉、混粉、控粉的结构，也没有外加机构用于保证粉末的落粉量及落粉速率；且由于其小孔孔径是固定不可调的，因此对于粉末的送入量其无法控制；且未考虑混粉的功能，因此所送的粉末可能会不均匀，从而造成合金成分的不均匀；由于其只能够传送已混合好的多种粉末，所以成分的添加比例也无法调节；由于粉末均为送粉器送出，并不能够有效控制送粉速率。
发明内容
本发明提出一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置。
实现本发明目的的技术方案为：
一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，包括：
一等离子弧产生机构，所述的等离子弧产生机构其外侧加工出螺纹，螺纹长度至少为其直径的三倍，以稳定激振器带来的振动；
一旁轴气粉传送机构，其内设有与等离子弧产生机构同轴的旁轴气粉罩，气粉罩内开有与等离子弧产生机构紧固连接的螺纹，以便固定；
旁轴气粉罩外设有与旁轴气粉罩外壁成60度角的n个气粉传送通道，n个气粉传送通道在旁轴气粉罩圆周方向上均匀分布；
如上所述的气粉传送通道有n条，n取2～5，且各通道沿螺旋气粉罩圆周方向上均匀分布；
旁轴气粉罩内部装有环形漏斗筛选器，下端处装有可调孔径开关阀；
旁轴气粉罩内部有螺旋气粉槽，所述螺旋气粉槽为变升角-变螺线-变螺距-变间隙结构；
螺旋气粉槽从顶部直到环形漏斗筛选器上端，其螺纹升角从顶部至底部逐渐趋于平角，升角幅度为1°～5°；
螺旋气粉槽的螺距从最上端的20mm逐渐减小，每圈减小1mm过渡至中间部位螺距为10-12mm，直至过渡到底部，螺距保持为4mm；
螺旋气粉槽整体加工为不连续螺旋槽，每一圈螺旋槽都加工出2-3个断口，且上下相邻两个螺旋槽的断口均为错位加工；
在螺旋气粉槽前三圈的每圈上均加工出2-3个凸起坡，其加工位置在每圈断口处的边缘，这样有利于粉末的打散，避免粘结成块，利于粉末向下一层过渡。
该螺旋气粉槽与气粉罩外壁的间隙从最上端的20mm每圈逐渐减小1-2mm至中部，间隙为10mm左右，继续减小过渡至底部间隙为3-4mm，直至最后两圈与气粉罩外壁间隙为0，直接与外壁相连，更利于控制粉末的落粉量。
螺旋气粉槽包括垂直方向上顺序连接的m螺旋槽，所述的螺旋气粉槽为圆弧槽；螺旋气粉槽顶端靠近送粉送气通道入口处为m个螺旋结构的m螺旋槽，m螺旋槽的直径为3mm～5mm，且所述的m个螺旋结构至少有m+1圈，n个送粉送气通道连通m螺旋槽；
该螺旋气粉槽的设计是为在送粉过程中实现粉末的均匀混合，并控制粉末在枪内的落粉速率；
一振动机构，固定在旁轴气粉罩的外壁，与环形漏斗筛选器处于同一水平线。
所述的旁轴气粉罩的下端处呈缩颈状且装有可调孔径开关阀，孔径面圆心的延长线指向电弧中心，用于控制最终总落粉量。
本发明的装置外接一送丝机构，送丝焊枪不产生热源。
进一步的，旁轴气粉罩内部设有的环形漏斗筛选器，其包含有四圈环形出粉口，每相邻两环形出粉口中间的环形区域加工有呈圆周等距阵列的32个圆形出粉口，孔边缘处加工为圆弧过渡，且环形出粉口的边缘处也加工为圆弧过渡，这能够保证在送粉过程中对粉末的筛选作用，并将粉末混合均匀，不会积粉，更有利于粉末的输送；
进一步的，n个气粉传送通道与旁轴气粉罩外壁的结合过渡处为光滑圆角；
如上所述的等离子弧产生机构其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的三倍；
如上所述的n个送粉口上装有送粉调速器，n个送气口上装有送气调速器；
如上所述的环形激振器安装在旁轴气粉罩外壁与旁轴气粉罩内部的环形漏斗筛选器同一水平面上的位置处；
合理计算各气粉传送通道的送粉速率以及设定送丝机构送丝速度；
通过振动控制器设定激振器工作时间T和激振频率f，使旁轴气粉罩处于小幅度的振动状态，振幅在1mm范围内，再在送丝机构上调节送丝焊枪的送丝送率。根据计算的送粉速率在旁轴气粉传送机构上调节送粉速率开始送粉，关闭漏斗筛选器，达到所送合金粉末的最大程度混合均匀。再打开漏斗筛选器，通过可调孔径开关阀调节落粉量，当落粉量过大时相应收紧阀门以缩小孔径，当落粉量过小时相应放开阀门以增大孔径，通过微振动使其下落至熔池进行增材。
该发明方法的主要技术优点包括：1)通过多送粉通道实现2-6种合金粉末可控，每种元素成分添加量可调；2)通过控制振动时间和激振频率、并在送粉通道加装可调孔径开关阀方便控制送粉量，实现了粉末送粉(落料)速率可控；3)通过螺旋气粉槽前端上的加工凸起可在粉末送进枪内时通过凸起坡的作用将粉末打散，避免在粉末刚进入枪内时由于大量积聚而粘结成块从而堵塞通道，更利于粉末的混合均匀；4)通过振动和气流复合送粉、带有断口的变升角-变螺线-变螺距螺旋气粉槽混合粉末、过筛混合粉末的方式实现了粉末混合均匀；5)通过预定合金均匀混合粉末在枪体下方与设定送丝速率的常规丝材相匹配实现了合金成分的可调可控；6)通过旁轴送丝可以分流等离子弧的热输入，达到热输入可控；7)通过旁轴气粉传送可对枪体进行散热，改善了等离子弧产生机构体散热不好的情况，同时枪体也相当于给粉末进行了预热，提高了增材的热效率；8)通过振动和气流复合送粉、合理匹配振动时间和激振频率可有效解决供粉不可靠、粉末浪费和堵塞的问题。
附图说明
图1为本发明超强钢原位丝粉成分可调复合增材方法及装置的结构示意图。
图2为本发明旁轴气粉传送机构的结构示意图。
图3为本发明四送粉送气通道的截面剖视图。
图4为本发明螺旋气粉槽的结构示意图。
图5为本发明螺旋气粉槽的凸起坡及断口结构示意图。
图6为本发明螺旋气粉槽螺距变化的局部结构示意图。
图7为本发明螺旋气粉槽间隙变化的局部结构示意图。
图8为本发明环形漏斗筛选器的结构示意图。
图9为本发明环形漏斗筛选器的局部结构示意图。
图10为本发明环形漏斗筛选器的孔状出粉口结构示意图。
图11为本发明环形漏斗筛选器的环形出粉口结构示意图。
1是旁轴气粉传送机构；2是螺旋气粉槽；3是环形漏斗筛选器；4是可调孔径开关阀；5是环形激振器；6是气粉传送通道；7是离子弧产生机构；8是送丝机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置作进一步描述。
本发明包括多元合金材料增材的成分均匀调控过程和增材原位丝粉合金化过程的技术方法，其中成分均匀调控过程是在枪体内设计采用设定振动和气流复合方式，实现多种预定合金粉末的定量开启、减速螺旋混合粉末、过筛均匀混合、均匀粉末送出枪体；增材原位丝粉合金化过程是通过振动和气流复合送粉及其等离子流力复合驱动下，预定合金均匀混合粉末在枪体下方与设定送丝速率的常规丝材通过旁轴再复合送入熔池，在熔池搅拌力作用下增材制造成多元合金材料。
如图1-11所示，1是旁轴气粉传送机构；2是螺旋气粉槽；3是环形漏斗筛选器；4是可调孔径开关阀；5是环形激振器；6是气粉传送通道；7是离子弧产生机构；8是送丝机构。
一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，包括：
一等离子弧产生机构7，所述的等离子弧产生机构外侧加工出螺纹，螺纹长度至少为其直径的三倍，以稳定激振器带来的振动；
一旁轴气粉传送机构1，其内设有与等离子弧产生机构同轴的旁轴气粉罩，气粉罩内开有与等离子弧产生机构紧固连接的螺纹，以便固定；
旁轴气粉罩外设有与旁轴气粉罩外壁成60度角的n个气粉传送通道6，n个气粉传送通道在旁轴气粉罩圆周方向上均匀分布；
如上所述的气粉传送通道有n条，n一般取2～5，且各通道沿螺旋气粉罩圆周方向上均匀分布；
气粉罩内部加工有螺旋气粉槽2便于粉末的输送、混合；
旁轴气粉罩内部装有环形漏斗筛选器3，下端处装有可调孔径开关阀4；
气粉罩外部装有环形激振器5用于带动气粉罩产生振动；
所述螺旋气粉槽为变升角-变螺线-变螺距-变间隙结构；
螺旋气粉槽从顶部直到环形漏斗筛选器上端，其螺纹升角从顶部至底部逐渐趋于平角，升角幅度为1°～5°；
螺旋气粉槽的螺距从最上端的20mm逐渐减小，每圈减小1mm过渡至中间部位螺距为10-12mm，直至过渡到底部，螺距保持为4mm；
螺旋气粉槽整体加工为不连续螺旋槽，每一圈螺旋槽都加工出2-3个断口，且上下相邻两个螺旋槽的断口均为错位加工；
在螺旋气粉槽前三圈的每圈上均加工出2-3个凸起坡，其加工位置在每圈断口处的边缘，这样有利于粉末的打散，避免粘结成块，利于粉末向下一层过渡。
该螺旋气粉槽与气粉罩外壁的间隙从最上端的20mm每圈逐渐减小1-2mm至中部，间隙为10mm左右，继续减小过渡至底部间隙为3-4mm，直至最后两圈与气粉罩外壁间隙为0，直接与外壁相连，更利于控制粉末的落粉量。
螺旋气粉槽包括垂直方向上顺序连接的m螺旋槽，所述的螺旋气粉槽为圆弧槽；螺旋气粉槽顶端靠近送粉送气通道入口处为m个螺旋结构的m螺旋槽，m螺旋槽的直径为3mm～5mm，且所述的m个螺旋结构至少有m+1圈，n个送粉送气通道连通m螺旋槽；
该螺旋气粉槽的设计是为在送粉过程中实现粉末的均匀混合，并控制粉末在枪内的落粉速率；
一送丝机构，送丝机构中的送丝焊枪与水平工作台成30度夹角，送丝焊枪不产生热源；
一振动机构，包括环形激振器和振动控制器；
所述的旁轴气粉罩的下端处呈缩颈状且装有可调孔径开关阀，孔径面圆心的延长线指向电弧中心，可调孔径的最小尺寸略大于等离子弧产生机构嘴直径，用于控制最终总落粉量；
所述的旁轴气粉罩内部设有一环形漏斗筛选器送粉器，其包含有四圈环形出粉口，每相邻两环形出粉口中间的环形区域加工有呈圆周等距阵列的32个圆形出粉口，这能够保证在送粉过程中对粉末的筛选作用，并将粉末混合均匀；
所述的n个气粉传送通道与旁轴气粉罩外壁的结合过渡处为光滑圆角；
所述的旁轴气粉罩采用耐热陶瓷制造；
如上所述的等离子弧产生机构外侧用陶瓷制造隔热材料包裹，所述的等离子弧产生机构其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的三倍；
如上所述n个送粉口上装有送粉调速器，n个送气口上装有送气调速器；
如上所述的环形激振器安装在旁轴气粉罩外壁与旁轴气粉罩内部的环形漏斗筛选器同一水平面上的位置处；
如上所述的送丝机构中的工作焊枪均与水平工作台成30度夹角；
合理计算各气粉传送通道的送粉速率以及设定送丝机构送丝速度；
通过振动控制器设定激振器工作时间T和激振频率f，使旁轴气粉罩处于小幅度的振动状态，振幅在1mm范围内，再在送丝机构上调节送丝焊枪的送丝送率。根据计算的送粉速率在旁轴气粉传送机构上调节送粉速率开始送粉，关闭漏斗筛选器，达到所送合金粉末的最大程度混合均匀。再打开漏斗筛选器，通过可调孔径开关阀调节落粉量，当落粉量过大时相应收紧阀门以缩小孔径，当落粉量过小时相应放开阀门以增大孔径，通过微振动使其下落至熔池进行增材。
利用上述装置，采用等离子弧和氮化物合金粉末原位增材成形高氮奥氏体不锈钢，丝材选用铬镍奥氏体不锈钢丝材，构件尺寸为300mm×100mm×50mm，由25层堆焊层构成，每层高为2mm，每层焊缝由20道焊缝组成，为多层多道增材。
表1目标高氮奥氏体不锈钢的化学成分要求(％)
表2 铬镍奥氏体不锈钢焊丝化学成分(％)
采用等离子弧丝粉可调增材制造的方法进行设定层高氮钢的堆焊成形，同时利用旁轴振动-气送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。通过控制3D打印的参数匹配，可获得不同氮含量的高氮钢打印层。每层堆焊完成时，焊枪提高一个层厚，重复堆焊获得高氮钢制品。采用旁轴振动-气送氮化物合金粉末与旁轴送铬镍奥氏体不锈钢焊丝的方式，实现在常压下利用异种钢焊丝—氮化物合金粉末—等离子弧复合技术3D打印高氮奥氏体不锈钢制品。
采用本发明所述的超强钢原位丝粉同步复合增材的装置，其操作过程为：
根据增材制造钢制品的目标合金成分，选择铬镍奥氏体不锈钢焊丝作为送丝原料；
根据3D打印钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的各合金粉末的含量；
通过多送粉通道分别送入所需的合金粉末，根据确定的送粉速率Vfj在旁轴气粉传送机构上调节送粉速率Vfj开始送粉；
多种合金粉末通过螺旋气粉槽的独特设计结构，实现所送合金粉末最大程度的混合均匀；
再调节漏斗筛选器及可调孔径开关阀控制落粉速率及落粉量，当落粉量过大时相应收紧阀门以缩小孔径，当落粉量过小时相应放开阀门以增大孔径；
通过振动控制器设定激振器工作时间T和激振频率f，控制振动加速度为3～7m/s2。使旁轴气粉罩处于小幅度的振动状态，再在送丝机构上调节送丝焊枪的送丝送率Vs为5m/min。在微振动的辅助作用下，所送合金粉末下落至熔池进行增材；
启动3D打印的装置，在气粉同轴传送装置上调节各通道送粉速率Vfj、送气速率为V气j＝15L/min；
根据目标高氮钢制品形状尺寸确定3D打印路线，焊接速率v取7mm/s。进行堆焊，每一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程，最终由20层高氮钢层叠加形成高氮钢制品。在高氮钢3D打印制品完成结束焊接时，需先停止送丝添粉，然后再停止送气，以防止发生粉尘爆炸。
Claims (10)
1.一种超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，包括：
一等离子弧产生机构，所述的等离子弧产生机构外侧加工出螺纹；
一旁轴气粉传送机构，其内设有与等离子弧产生机构同轴的旁轴气粉罩，气粉罩内开有与等离子弧产生机构紧固连接的螺纹；
旁轴气粉罩内部有螺旋气粉槽，所述的螺旋气粉槽为带断口、带凸起坡的变螺距-变间隙-变升角-变螺线结构；
螺旋气粉槽从旁轴气粉罩顶部直到环形漏斗筛选器上端；
旁轴气粉罩内部设有环形漏斗筛选器，旁轴气粉罩下端处设有可调孔径开关阀；
旁轴气粉罩外设有与旁轴气粉罩外壁成60度角的n个气粉传送通道，n个气粉传送通道在旁轴气粉罩圆周方向上均匀分布；
所述的气粉传送通道有n条，且各通道沿螺旋气粉罩圆周方向上均匀分布；
还包括一振动机构为环形激振器，固定在旁轴气粉罩的外壁，与环形漏斗筛选器处于同一水平线。
2.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，螺旋气粉槽包括垂直方向上顺序连接的m螺旋槽，所述的螺旋气粉槽为圆弧槽；螺旋气粉槽顶端靠近送粉送气通道入口处为m个螺旋结构的m螺旋槽，m螺旋槽的直径为3mm～5mm，且所述的m个螺旋结构至少有m+1圈；所述的n个送粉送气通道连通m螺旋槽。
3.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，螺旋气粉槽的螺距从最上端的20mm逐渐减小，每圈减小1mm过渡至中间部位螺距为10-12mm，直至过渡到底部，螺距保持为4mm。
4.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，螺旋气粉槽整体加工为不连续螺旋槽，每一圈螺旋槽都加工出2-3个断口，且上下相邻两个螺旋槽的断口均为错位加工。
5.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，在螺旋气粉槽前三圈的每圈上均加工出2-3个凸起坡，其加工位置在每圈断口处的边缘。
6.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，该螺旋气粉槽与气粉罩外壁的间隙从最上端的20mm每圈逐渐减小1-2mm至中部，间隙为10mm左右，继续减小过渡至底部间隙为3-4mm，直至最后两圈与气粉罩外壁间隙为0，直接与外壁相连。
7.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，螺旋气粉槽从顶部直到环形漏斗筛选器上端，其螺纹升角从顶部至底部逐渐趋于平角，升角幅度为1°～5°。
8.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，所述的旁轴气粉罩内部设有的环形漏斗筛选器，其包含有四圈环形出粉口，每相邻两环形出粉口中间的环形区域加工有呈圆周等距阵列的32个圆形出粉口，孔边缘处加工为圆弧过渡，且环形出粉口的边缘处也加工为圆弧过渡。
9.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，旁轴气粉罩的下端处呈缩颈状且装有可调孔径开关阀，孔径面圆心的延长线指向电弧中心，用于控制最终总落粉量。
10.根据权利要求1所述的超强钢原位丝粉成分可调复合增材装置，其特征在于，n个气粉传送通道与旁轴气粉罩外壁的结合过渡处为光滑圆角，n取2～5。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113333921A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-03 | 南京理工大学 | 一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材tig焊枪装置 |
| CN114082989A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-25 | 温州大学 | 一种多热源可调配成分的增材制造装置及方法 |
| CN114086105A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-25 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法 |
| KR102386092B1 (ko) * | 2021-01-18 | 2022-04-14 | 창원대학교 산학협력단 | 분말 또는 와이어 원료를 적층 가능한 3d 프린터 |
| CN114951930A (zh) * | 2021-02-23 | 2022-08-30 | 深圳先进技术研究院 | 一种等离子电弧增材制造装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2259390Y (zh) * | 1994-12-29 | 1997-08-13 | 武汉工业大学 | 螺旋送粉均化器 |
| JP2000312972A (ja) * | 1999-04-26 | 2000-11-14 | Honda Motor Co Ltd | 溶極式ガスシールドアーク溶接用トーチ |
| JP2005169396A (ja) * | 2003-12-05 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | アーク溶接用トーチおよびアーク溶接方法 |
| CN103046046A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-04-17 | 张翀昊 | 用于激光熔覆的双保护气体螺旋气粉通道喷头 |
| CN103526199A (zh) * | 2013-09-25 | 2014-01-22 | 中国科学院半导体研究所 | 一种激光粉末加工旁轴送粉工作头 |
| CN105618895A (zh) * | 2016-01-06 | 2016-06-01 | 江苏烁石焊接科技有限公司 | 一种丝-粉-气-电弧同轴的3d打印装置 |
-
2019
- 2019-06-28 CN CN201910574584.6A patent/CN112139492B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2259390Y (zh) * | 1994-12-29 | 1997-08-13 | 武汉工业大学 | 螺旋送粉均化器 |
| JP2000312972A (ja) * | 1999-04-26 | 2000-11-14 | Honda Motor Co Ltd | 溶極式ガスシールドアーク溶接用トーチ |
| JP2005169396A (ja) * | 2003-12-05 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | アーク溶接用トーチおよびアーク溶接方法 |
| CN103046046A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-04-17 | 张翀昊 | 用于激光熔覆的双保护气体螺旋气粉通道喷头 |
| CN103526199A (zh) * | 2013-09-25 | 2014-01-22 | 中国科学院半导体研究所 | 一种激光粉末加工旁轴送粉工作头 |
| CN105618895A (zh) * | 2016-01-06 | 2016-06-01 | 江苏烁石焊接科技有限公司 | 一种丝-粉-气-电弧同轴的3d打印装置 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102386092B1 (ko) * | 2021-01-18 | 2022-04-14 | 창원대학교 산학협력단 | 분말 또는 와이어 원료를 적층 가능한 3d 프린터 |
| CN114951930A (zh) * | 2021-02-23 | 2022-08-30 | 深圳先进技术研究院 | 一种等离子电弧增材制造装置及方法 |
| CN113333921A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-03 | 南京理工大学 | 一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材tig焊枪装置 |
| CN114082989A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-25 | 温州大学 | 一种多热源可调配成分的增材制造装置及方法 |
| CN114086105A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-25 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法 |
| CN114086105B (zh) * | 2021-11-22 | 2024-02-20 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法 |
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